——记中车戚墅堰机车车辆工艺研究所王文虎及其团队

　　本刊记者  马丽娜  户 万
　　
　　

　　
　　高速铁路是带动国民经济腾飞的重要基础设施。我国轨道交通装备经过 “十一五”和“十二五”的快速发展，现已进入了高速发展的“十三五”时期，高铁列车整车集成水平已经处在世界前列。
　　中国高铁，从无到有，再到今天的“世界速度”，俨然成为中国制造的一张“黄金名片”，它正以超乎想象的速度呼啸而来，改变着中国，同时也震撼着世界。
　　然而，中国高端装备崛起的背后，也面临过核心关键部件落后的掣肘。齿轮传动系统是高铁能量转换与传递的核心部件，其工作性能的好坏直接影响到高铁列车运行的可靠性和安全性，也是高铁列车跑出“世界速度”的关键所在。
　　而由王文虎作为负责人带领中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司完成的“高铁列车用高可靠齿轮传动系统”项目，通过自主技术创新，不仅打破国外垄断，而且填补了国内多项空白，为高铁跑出“世界速度”真正保驾护航。该项目也成功获得了2017年度国家科技进步奖二等奖，经同行专家鉴定，一致认为“整体达到国际先进水平，在轻量化、振动和温度控制技术方面处于国际领先水平”。
　　

齿轮——高铁的核心部件

　　中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司（简称“中车戚墅堰所”），创建于1959年，是中国中车股份有限公司下属的核心企业。中车戚墅堰所是中国轨道交通装备基础材料、基础工艺、基础零部件的专业研发机构，是我国轨道交通关键核心零部件研发及产业化单位，同时也是轨道交通行业基础材料与基础工艺的技术研发及推广单位；是国家技术创新示范企业、国家高新技术企业、江苏省创新型企业，建有国家级企业技术中心、国家级博士后科研工作站、国家认可的实验室，4个省级工程中心、2个院士工作站等研发平台。曾获国家科技进步奖12项（一等奖3项），省部级奖励120余项，制定国家及行业标准620项，拥有专利721项。中车戚墅堰所围绕自身核心竞争力，服务业轨道交通及延伸产业的发展，为国家轨道交通装备的发展做出了突出贡献。据王文虎介绍，中车戚墅堰所是我国铁路6次大提速中关键核心零部件技术攻关和产品开发的承担主体，为我国铁路跑出时速840公里的相对速度做出了突出贡献，促使了中国轨道交通站在世界的顶峰。
　　中车戚墅堰所在我国轨道交通飞速发展中起到的作用举足轻重，不言而喻。那么，关键核心零部件对于高铁列车到底意味着什么？
　　王文虎介绍道，齿轮传动系统是高铁列车动力传递的核心部件，其工作性能直接决定了高铁列车运行的可靠性和安全性。而长期以来，我国高铁列车用齿轮传动系统完全被德国和日本公司所垄断。并且，由于缺乏对我国高铁列车运行工况的针对性研究，进口齿轮传动系统在运营过程中出现了批量的润滑油乳化发黑、轴承烧损、箱体纹、润滑油渗漏等惯性质量问题。这不仅增加了高铁列车的制造成本，制约了关键零部件的国产化进程，更事关民生安全，使我国高铁走向世界的战略面临严峻考验。
　　而相较国外已有高铁，我国高铁因南北温差大、跨度广、速度高、长时间运行等复杂多变工况，对齿轮传动系统的温度控制、振动、可靠性等都提出了更为苛刻的要求。
　　为解决束缚高铁发展的国际性难题，在国家、部委科技计划支持下，王文虎作为负责人，带领中车戚墅堰所充分发挥在齿轮传动方面的技术优势，与大连理工大学、北京工业大学密切合作，另辟蹊径，用创新的机械结构和多学科综合优化方法，围绕温升、振动、集成设计以及可靠性等方面开展技术攻关。项目重点开发了CRH2、CRH380A等型号高铁列车用齿轮传动系统，并实现批量应用，产品覆盖了时速160～350公里全速度等级国内全部车型和全部高铁线路，建立了国内唯一的高铁列车用高可靠齿轮传动系统研发和产业化平台。
　　“高铁列车用高可靠齿轮传动系统”项目，不仅获得授权专利91件（发明专利52件），发表论文30篇、专著1篇，还制定行业标准1项、企业标准6项，软件著作权2项。依托项目技术，实现了京沪、武广、郑西、哈大等中国高速铁路线路、中国各型号高速动车组全覆盖，在我国新造高铁列车中占比为70%，项目产品已逐步代替进口产品，产品失效概率显著低于国外同类产品。并且，产品实现销售收入23.7亿元，取得了显著的经济社会效益。
　　

创新——打破国外垄断

　　创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，更是科技进步的源泉。只有自主创新，才能拥有自己的自主品牌，打破国外垄断，走向世界。中车戚墅堰所，正是在“创新”的道路上永不止步。在“高铁列车用高可靠齿轮传动系统”项目中，更是创下了多项创新记录。
　　在跨热带到寒温带的巨大温差条件下运行，是中国高铁的一大特点。中国东北冬季列车启动时，齿轮箱温度低于-40℃，而南方夏季环境温度则超过40℃，温差相差80℃之大，另有超过2%传递功率会转化成热量。因此，必须做出良好的温度控制，才能同时适应各种工况。针对中国高铁用齿轮传动系统轴承转速和齿轮啮合速度高、从热带到寒温带的巨大环境温差下润滑油粘度等性能变化大所造成的润滑与冷却矛盾等问题，该项目分析出各温度、各轴承转速等工况与满足润滑所需最少油量的函数关系，开创性地提出基于记忆合金流量调节的温控技术，开发了油量调节装置并通过记忆合金对温度的响应，形成对润滑油流动的控制，确保低温时提供足够油量保证轴承和齿面润滑，高温时降低润滑油量减小搅油损失，解决了高铁齿轮箱低温启动和高速工况下温升控制相矛盾的难题。通过上述技术的使用，相比于进口产品，高速工况下的齿轮传动系统的温升平均降低5～10℃。
　　与常用的齿轮箱相比，高铁应用有一个显著的区别在于其齿轮箱箱体一端跨在车轴上，另一端通过一个弹性体悬挂在列车上，整体处于悬空状态；同时，由于车轮与轨道的刚性接触，所有的轨面不平度与车轮不圆度都将直接对安装在车轴上的齿轮箱产生巨大的冲击。针对高铁齿轮传动系统工作特性所带来的振动条件恶劣的难题，项目从振动源和传递路径两方面着手齿轮箱振动控制。对齿轮箱一体化快速模型进行振动分析，扫描所有工况；通过齿轮拓扑修形，设计高精度齿轮修形，保证车轴、箱体变形和热胀冷缩情况下的啮合质量，提高传动平稳性；开发了智能配对系统，通过渐开线齿形齿向以及齿距偏差等检测，根据结果智能选择配对齿轮副，使得动态啮合传动误差达到最低，降低啮合冲击和噪声。该项目还自主开发了比重轻的高强度铝合金材料AlSi7Mg，并通过材料成分优化、精炼提纯、铸造凝固模拟、热处理控制等研究，研制的薄壁铝合金箱体有效平衡了轻量化与强度的要求,一方面通过簧下重量的降低有效降低轮轨间的振动冲击，另一方面保证了轻量化箱体接受更少的振动负荷。上述技术的应用，有效改善高铁列车高速状况下的运行品质，提高了产品可靠性。经运营实测，最大振动速度RMS值为12mm/s，低于同类进口产品的18mm/s。
　　振动降低和轻量化等要求给齿轮箱的设计空间极其狭窄，传统的基于几何和力的分解的设计方法已经不能满足要求，无法考虑箱体形变而造成支点位移以及带来的力的分布的改变、无法考虑轴承等零件在力的作用下的非线性效应，同时，传统多体动力学仿真难以处理齿轮啮合等细微结构对振动等的影响，而实际啮合是振动的主要来源。基于此，该项目提出了一种齿轮传动系统集成设计模型：齿轮箱箱体等异形件离散化，并在力节点上缩聚成刚度矩阵。形成的“齿轮传动系统集成设计方法”实现了快速计算，解决了系统形变和轴承位移对载荷影响的评估难题，大幅提升了产品寿命估算和整机动力学设计精度，实现了齿轮传动系统的精确设计，很好地控制了齿轮箱振动，并实现轻量化。
　　高铁的“准点”是现代快节奏生活的典范，但“安全性”毋庸置疑是永远是第一位的。高铁旅客运输事关公共安全，因此，高铁产品的“可靠性”是所有关注要素之首。围绕高铁运输安全要求，该项目提出了基于应力、强度干涉理论的概率“可靠性设计方法”，针对系统采用先进的可靠性设计分析技术，提高可靠性、维修性、可用性水平。同时，采用FTA技术进行量化风险评估，减轻风险到可接受水平。同时，开发了基于智能制造理念的组装生产工艺，采用工步引导方式管控制造整个过程，直接采集工艺数据并无线传输录入信息系统，并自动判别，保证工艺过程正确、结果正确、数据无遗漏。通过建立国内唯一的高铁列车用齿轮传动系统实际运行全工况模拟平台，实现故障模拟与再现，通过设计和试验数据积累，从设计源头及试验验证双管齐下，实现产品设计优化、安全评价和寿命预测等问题，确保产品性能提升，满足高可靠性要求。基于此，成果产品超过2万套（1000列车以上）运行在中国铁路干线，运行质量相比于国外产品有大幅度提升，产品失效概率显著低于国外同类产品。
　　技术创新的最大意义在于应用。依托项目技术，团队成功开发了CRH380A、CRH380B、CRH6等车型高铁列车齿轮传动系统，实现了京沪、武广、郑西、哈大等中国高速铁路线路、中国各型号高速动车组全覆盖，运用里程最长的超过300万公里，安全可靠，性能良好，成功替代了进口产品。此外，自主研发的两种型号中国标准动车组齿轮传动系统已实现装车运行，并于2016年7月15日以超过420公里的时速在郑徐高铁线路交汇，相对时速超过840公里。
　　中车戚墅堰所的“高铁列车高可靠性齿轮传动系统”项目，成功开发出我国自主品牌的高铁齿轮传动系统，项目成果成功填补了国内空白，替代了进口，打破了高铁装备的行业瓶颈，促进了我国高铁列车整体技术水平的提升，使中国高铁的“世界第一速度”真正成为可能。通过项目研发团队的技术攻关，解决了齿轮传动行业最前沿的振动、温升等国际性难题。基于此，“高铁列车齿轮传动系统”也成为国家《三基产业“十二五”发展规划》中最具标志性成果，促进了我国高端关键基础零部件进入国际领先行列。
　　

初心——砥砺前行

　　俗话讲，大海航行靠舵手。“得一良将才，胜百连城壁”。一个团队成绩的取得，离不开每一位成员的努力，更离不开团队核心领导者和管理者的付出。身为中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司总经理，王文虎肩负着更大的责任，在多年的实战经验磨砺中，他不仅具有较强的创新能力，同时具有较强的经营管理能力，他能敏锐把握国家战略需求和世界科技发展趋势，在企业管理创新、科学技术创新中不断取得重要成果，并创造了显著的经济效益和社会效益。
　　1986年毕业于南京工学院（现东南大学）的王文虎，如今算来，在专业领域已经摸爬滚打了30余年。从助理工程师到工程师再到教授级高级工程师，从设计师到主任再到总经理，王文虎脚踏实地，每一步都踩得结实。正是这一步步认真走来，铸就了今天中车戚墅堰所的辉煌成绩。
　　在这30多年里，王文虎主持和参加了多项国家、省部及集团公司级项目，获国家科技进步奖一等奖、二等奖各1项，铁道学会科技进步奖二等奖2项，上海市科技进步奖二等奖1项，江苏省科技进步奖三等奖1项，并获“国务院政府特殊津贴”“中国铁道学会学科带头人”“茅以升铁道工程师奖”等荣誉称号。2010年6月，王文虎被评为“江苏省优秀科技工作者”，2010年12月被评为“全国优秀科技工作者”；2013年被评为常州市明星企业家，同年被评为江苏省科技企业家；2014年获第十二届“詹天佑科学技术奖突出贡献奖”。
　　作为我国机车车辆传动系统、制动系统和材料工艺的带头人之一，王文虎为我国轨道交通发展做出了突出贡献，是该领域名副其实的技术创新领军人，他取得的成绩有目共睹——
　　作为第一完成人，他承担的“高铁列车高可靠性齿轮传动系统研发及产业化”项目获第四届中国工业大奖，并获得首届中国好设计金奖；
　　作为主要负责人参与了“时速250公里动车组高速转向架及应用”项目，获得国家科学技术进步奖一等奖，该成果已应用于京广、京沪等9条共计6003公里的主要干线，平均缩短旅客旅行时间30%～40%，大幅度提高了客运能力，推进了区域经济协调发展，取得了巨大的经济和社会效益；
　　主持“HXD1B（6轴）交流传动重载货运电力机车齿轮传动系统”项目，达到并超过国外同类产品的技术水平；
　　主持的国家科技支撑计划项目“高速列车牵引传动与制动系统”，完成了CRH2型车与CRH3型车齿轮系统的样机研制，形成350km/h高速齿轮传动系统的产品设计平台和仿真平台，建成400km/h高速齿轮传动系统试验平台，并形成我国首个高速齿轮传动系统智能制造基地；
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　　30年来，王文虎在专业领域创下的成绩不胜枚举，但他从未满足，只有“运筹帷幄之中，才能决胜于千里之外”。王文虎说，我国高速铁路装备虽然已逐步达到国际领先水平，但是相比于德国、日本、法国等发达国家起步较晚，特别对齿轮传动系统来说，自主化产品装车运营虽已经超过6年，但积累的产品运行数据、故障数据仍然较少，需要完善更多工况条件下的数据库积累，以便于进行更准确、高效的故障预测和诊断。
　　当前，横贯欧亚大陆的“一带一路”倡议正稳步推进。而作为经济运行的大动脉，高铁将成为推动“一带一路”倡议相关国家和地区贸易与人员往来便利化、实现经济融合的重要工具和助推器，“高铁走出去”也成为必然。
　　为了进一步响应我国“一带一路”和“高铁走出去”倡议，王文虎表示，目前正在进行俄罗斯高铁（极寒工况）、美国新泽西高铁（超重载）等项目的开发。在项目成果的基础上，他们将克服更大的挑战，进一步开展极寒、超重载等特殊工况下产品的适应性研究。
　　不忘初心，坚守笃信。王文虎和中车戚墅堰所正一起砥砺前行，为中国高铁崛起全力以赴！